Plage dynamique étendue (WDR)

Les scènes qui contiennent à la fois des zones très sombres et très brillantes sont délicates à traiter pour une caméra. En termes de vidéoprotection, les exemples typiques de scènes à plage dynamique étendue (ou WDR pour Wide Dynamic Range) sont notamment les portes d’accès, les parkings couverts et les tunnels, où il existe un fort contraste entre la lumière extérieure et l’intérieur plus sombre. Les scènes extérieures éclairées par la lumière directe et comportant des ombres très intenses posent également problème.

Plusieurs méthodes ont été mises au point pour que les caméras puissent mieux recréer le contenu de l’ensemble de la scène. Néanmoins, aucune technique unique n’est optimale pour tous les types de scènes et de situations. Chaque méthode présente ses inconvénients, notamment par l’introduction de diverses anomalies visuelles, dénommées artefacts.

Axis propose plusieurs solutions WDR, notamment deux solutions forensiques (c’est-à-dire exploitables à des fins d’enquête) qui révolutionnent l’imagerie des scènes difficiles. Leur capacité à révéler les détails dans les parties sombres d’une scène, sans surexposition des parties éclairées, est sans équivalent. Les images ainsi traitées offrent ainsi une valeur forensique exceptionnelle.

Solutions WDR Axis :

• Forensic WDR combine la double exposition et une méthode d’amélioration locale du contraste. Cette fonction produit des images optimisées pour un usage à des fins d’enquête. Exploitant des algorithmes de traitement d’image de dernière génération, cette technologie réduit efficacement le bruit visible et les artefacts. Forensic WDR convient également pour les scènes comportant du mouvement et les caméras à ultra-haute résolution.

• WDR - forensic capture combine la double exposition et une méthode d’amélioration locale du contraste. Cette fonction produit des images optimisées pour un usage à des fins d’enquête.

• WDR - dynamic capture applique une méthode de double exposition, qui fusionne les images capturées à des temps d’exposition différents. La plage dynamique est limitée par les artefacts, notamment liés au mouvement et au clignotement.

• WDR - dynamic contrast utilise une méthode d’amélioration du contraste. La plage dynamique est relativement étroite, mais l’image contient très peu d’artefacts. Comme les images sont prises avec un temps d’exposition fixe, cette solution est à privilégier dans les scènes comportant beaucoup d’objets mobiles.

Certaines caméras Axis recourent à un assortiment des différentes méthodes pour élargir la plage dynamique. La solution WDR est personnalisée à chacune d’entre elles et intitulée simplement « WDR » dans les fiches techniques et autres supports d’information produit.

La plage dynamique d’une caméra s’exprime généralement en dB, mais la performance WDR en pratique est plus difficile à estimer : elle dépend d’autres facteurs, tels que la complexité de la scène, le mouvement et les capacités de traitement d’image de la caméra.

Axis privilégie les images facilement exploitables à des fins d’enquête et la qualité d’image plutôt que la seule valeur en dB. Par conséquent, une caméra Axis dont la plage dynamique est définie par une valeur donnée peut très bien surpasser une caméra concurrente dont la valeur en dB est supérieure.

Les caméras ont généralement des difficultés avec les scènes dont la plage dynamique est étendue, c’est-à-dire celles dont les niveaux de luminosité présentent de fortes variations. Ce livre blanc explique les mécanismes à l’origine des limitations de plage dynamique d’une caméra, décrit les méthodes disponibles pour obtenir de bonnes performances WDR et présente les solutions WDR d’Axis pour aboutir à des vidéos à grande valeur forensique et facilement exploitables.

La plage dynamique correspond à la différence entre les niveaux de luminosité de la zone la plus sombre et de la zone la plus brillante d’une scène ou d’une image. Une scène à plage dynamique étendue contient donc simultanément des zones très lumineuses et des zones très obscures. En voici quelques exemples typiques en vidéosurveillance.

• Portes d’entrée avec un extérieur très lumineux et un intérieur plus sombre

• Parkings couverts ou tunnels, lumineux à l’extérieur et peu éclairés à l’intérieur

• Scènes extérieures avec lumière directe du soleil et ombres profondes

• Immeubles de bureau ou centres commerciaux où les baies vitrées réfléchissent une grande quantité de lumière.

Les images ci-dessous représentent une scène à plage dynamique étendue, capturée par une caméra de surveillance sans fonction WDR.

Selon le temps d’exposition choisi, la caméra peut rendre visible soit l’entrée bien éclairée et l’extérieur lumineux, soit l’intérieur obscur du parking. Une caméra sans fonction WDR ne peut pas capturer l’ensemble du contenu de la scène en une seule image.

Dans les clichés ci-dessous, l’image à temps d’exposition long comporte des incrustations de l’image à temps d’exposition court et inversement. Il apparaît que des objets importants de la scène ont été perdus par la caméra sans fonction WDR.

Pour pouvoir capturer l’ensemble du contenu de la scène, une caméra de surveillance WDR s’impose. Dans une seule image, elle peut capturer les deux extrêmes, c’est-à-dire révéler les détails à la fois dans l’entrée bien éclairée et dans les parties sombres à l’intérieur du parking couvert. Sans fonction WDR, la plage dynamique est au contraire limitée par plusieurs facteurs.

Les principales raisons de la plage dynamique limitée d’une caméra sont liées à l’arrivée de la lumière dans le capteur d’image, au traitement des images, mais aussi à la nature de la lumière elle-même. En termes plus concrets, la plage dynamique dépend de la taille de pixel, du temps d’exposition, du bruit et de la profondeur de bits.

La lumière est composée de particules d’énergie appelées photons. Lorsque l’intensité lumineuse d’une scène augmente, le nombre de photons qui pénètrent dans la caméra augmente également. Cependant, une caméra, ou plutôt son capteur d’image, ne peut détecter qu’un nombre limité de photons par intervalle d’exposition.

Le capteur d’image est constitué de millions de points photosensibles, dénommés pixels, capables de convertir en électrons les photons qui les frappent. Lorsque la caméra forme une image, le nombre d’électrons est compté pour chaque pixel, révélant ainsi des informations sur les niveaux de luminosité des différentes zones de la scène capturée.

Chaque pixel a une dimension fixe et ne peut contenir qu’un nombre fixe d’électrons avant d’arriver à saturation. Dans une caméra moderne, on cherche à maximiser le nombre de pixels, tout en préservant les dimensions totales du capteur pour des raisons de coûts, ce qui aboutit à une limitation de la taille des pixels.

Dans une scène à plage dynamique étendue, un temps d’exposition long va saturer les pixels correspondant aux zones les plus lumineuses de l’image. En réduisant le temps d’exposition, donc en recueillant les photons sur une période plus courte, on peut éviter la saturation par les photons dans les zones les plus lumineuses. Revers de la médaille : un temps d’exposition plus court se traduit par un très petit nombre de photons capturés pour les zones les plus obscures. En raison de la nature particulaire de la lumière et d’un phénomène physique nommé bruit de grenaille photonique, ces zones de l’image seront visiblement grainées. Pour un pixel, le temps d’exposition correct est celui qui maximise le rapport signal sur bruit (S/B). Par conséquent, il est plus court pour les pixels correspondant aux zones lumineuses de l’image que pour ceux correspondant aux régions plus sombres.

Au niveau du pixel, la plage dynamique est définie comme le signal maximal divisé par le bruit de fond. Le bruit de fond détermine la plus faible intensité de signal utile discernable dans l’intensité totale de toutes les sources de bruit. Une partie du bruit provient d’imperfections du convertisseur analogique-numérique, qui compte les électrons et génère un résultat par pixel. Un autre type de bruit est le bruit de grenaille photonique, impossible à annuler même avec un matériel parfait. Tout ce bruit aboutit à des valeurs par pixel qui ne traduisent pas les intensités vraies de la scène.

La profondeur de bits représente le nombre de bits utilisés pour capturer les informations dans un seul pixel. Il détermine en quelque sorte l’échelle des luminosités détectables. Les caméras de sécurité possèdent en général une profondeur de 10 bits. Théoriquement, une profondeur de bits supérieure augmente le nombre de niveaux de luminosité détectables. Mais en réalité, elle augmentera la qualité d’image uniquement si les pixels du capteur sont suffisamment gros et le bruit suffisamment faible. Si les données du capteur sont bruitées, il n’y a pas grand intérêt à accroître la profondeur de bits.

À propos de la profondeur de bits, il convient d’observer qu’un moniteur standard, comme celui qu’utilise l’agent de sécurité pour visionner la vidéo de surveillance, possède une profondeur de seulement 8 bits par canal de couleur. Autrement dit, l’algorithme qui traduit les 10 bits du capteur en 8 bits pour le moniteur est crucial pour obtenir de bonnes performances WDR.

Plusieurs méthodes ont été mises au point pour contourner les limitations de plage dynamique des caméras et aboutir à une imagerie WDR. Pour optimiser les résultats, ces méthodes sont parfois combinées. Aucune méthode unique n’est optimale pour toutes les applications. En effet, chaque méthode introduit diverses anomalies visuelles, dénommées artefacts. Des artefacts invisibles dans une application peuvent très bien se révéler extrêmement gênants dans une autre. Le chapitre 7 donne la description d’artefacts fréquents.

À l’aide d’un algorithme de fusionnement, plusieurs images capturées à des temps d’exposition différents sont combinées pour former une même image. C’est là la méthode la plus courante pour élargir la plage dynamique. Cependant, comme la capture est séquentielle, cette méthode introduit des artefacts dus aux mouvements dans la scène. Généralement, les sources lumineuses clignotantes et les mouvements rapides posent problème, car les objets peuvent bouger d’une capture à l’autre. Le traitement de l’image peut également produire des effets de bande. Les artefacts peuvent donc prendre plusieurs formes :

• Clignotement

• Flou cinétique et effet fantôme

• Bruit

Dans cette méthode, la caméra possède un capteur d’image qui comporte au moins deux types de pixels, dont les sensibilités à la lumière diffèrent. De ce fait, une seule exposition peut en fait créer deux images, une plus sombre et une plus lumineuse, selon la série de pixels. L’image WDR finale est restituée en combinant ces images obtenues. Il existe généralement des restrictions sur l’écart de sensibilité réalisable entre pixels adjacents (par exemple rapport de sensibilité fixe), ce qui limite la plage dynamique possible par cette méthode. Avec une seule exposition, les artefacts liés au mouvement et au clignotement sont évités, mais d’autres types d’artefacts peuvent apparaître. Par exemple, la résolution plus faible inhérente à cette méthode (l’image est formée par un nombre inférieur de pixels) peut créer des effets de moiré et de crénelage sur l’image. Par ailleurs, le traitement pour combiner les deux séries de pixels peut être compliqué à mettre en œuvre, voire provoquer dans certains cas d’autres problèmes. Artefacts typiques :

• Effets de moiré et crénelage

• Bruit

• Écarts de couleur

• Flou

Il s’agit d’une méthode numérique qui éclaircit les zones les plus sombres d’une image sous-exposée. La méthode n’élargit pas véritablement la plage dynamique capturée, mais améliore les possibilités de détection dans l’image finale, en particulier dans les zones qui auraient été surexposées sinon. Elle est très utile pour les scènes à plage dynamique limitée où les objets sont très mobiles. Voici les artefacts les plus courants :

• Effet de bande dans les zones sombres

• Peu de niveaux de gris dans certaines zones

• Couleurs irréalistes

Généralement, les caméras conventionnelles recourent à des méthodes globales pour ajuster la courbe de tons : ainsi, tous les pixels de l’image sont soumis à la même transformation. Il est néanmoins possible d’utiliser une méthode locale, qui ajuste la courbe de tons en fonction des zones du capteur. Cette méthode n’élargit pas véritablement la plage dynamique capturée, mais constitue un puissant outil de visualisation grâce à la modération du contraste, qui donne une image plus réaliste sur un écran à faible plage dynamique. Les artefacts typiques dépendent de l’intensité d’emploi de la méthode :

• Images fantômes

• Effet dessin animé

• Manque de contraste

• Couleurs excessives

Axis propose plusieurs solutions pour l’imagerie WDR, qui combinent certaines des méthodes générales présentées au chapitre précédent avec un traitement d’images de pointe et des procédures visant à réduire les artefacts.

Chez Axis, nous avons retenu quelques critères fondamentaux pour évaluer nos solutions WDR. Pour déterminer la solution qui convient à une situation de surveillance particulière, ces critères doivent être pondérés différemment en fonction des circonstances. L’évaluation de ces critères repose sur un usage réel et un jugement subjectif.

La note du critère Mouvement se rapporte à la capacité de la solution à capturer une scène comportant du mouvement, sans introduire d’artefacts liés à la technique d’échantillonnage. Dans ce critère, le traitement du clignotement est un élément important, l’autre étant d’éviter de fusionner les artefacts.

La note du critère Amplitude correspond à l’écart admissible de luminosité entre la zone la plus éclairée et la zone la plus sombre de l’image, qui doit en plus rester exploitable à des fins de surveillance.

La note du critère Apparence représente la capacité de la solution à reproduire les conditions de luminosité défavorables, tout en restituant une image visualisable par l’équipe de sécurité sur un moniteur de contrôle. Ici, l’objectif n’est pas de reproduire la scène le plus fidèlement possible, car cela pourrait masquer des détails pour l’observateur.

La plage dynamique d’une caméra s’exprime en général par une valeur en dB, liée au critère Amplitude défini au paragraphe précédent. Pour fournir des scènes de surveillance exploitables et détaillées, les solutions WDR Axis accordent la priorité aux critères Mouvement et Apparence, devant le critère Amplitude. Ce choix signifie que les caméras Axis peuvent restituer une plage dynamique plus large que ne le laissent supposer leurs valeurs en dB. En produisant des images plus facilement exploitables et comportant moins d’artefacts, une caméra Axis caractérisée par une valeur en dB plus faible peut très bien surpasser une caméra concurrente d’une valeur en dB supérieure. Pour en savoir plus sur les valeurs en dB, reportez-vous au chapitre 6.

Les solutions WDR Axis sont recensées ci-dessous.

• Forensic WDR combine la double exposition et une méthode d’amélioration locale du contraste. Cette fonction produit des images optimisées pour un usage à des fins d’enquête. Exploitant des algorithmes de traitement d’image de dernière génération, cette technologie réduit efficacement le bruit visible et les artefacts. Forensic WDR convient également pour les scènes comportant du mouvement et les caméras à ultra-haute résolution.

• WDR - forensic capture combine la double exposition et une méthode d’amélioration locale du contraste. Cette fonction produit des images optimisées pour un usage à des fins d’enquête.

• WDR - dynamic capture applique une méthode de double exposition, qui fusionne les images capturées à des temps d’exposition différents. La plage dynamique est limitée par les artefacts, notamment liés au mouvement et au clignotement.

• WDR - dynamic contrast utilise une méthode d’amélioration du contraste. La plage dynamique est relativement étroite, mais l’image contient très peu d’artefacts. Comme les images sont prises avec un temps d’exposition fixe, cette solution est à privilégier dans les scènes comportant beaucoup d’objets mobiles.

Certaines caméras Axis recourent à un assortiment des différentes méthodes pour élargir la plage dynamique. La solution WDR est personnalisée à chacune d’entre elles et intitulée simplement « WDR » dans les documents d’information produit.

Le Tableau ci-dessous présente les notes des solutions WDR Axis en fonction des critères de performance retenus.

D’après le classement, la solution WDR la plus performante globalement est Forensic WDR. Elle améliore à la fois le critère Mouvement et le critère Apparence par rapport à la solution WDR - forensic capture. Néanmoins, ces deux solutions forensiques représentent une évolution radicale dans l’imagerie des scènes complexes. Leur capacité à révéler les détails dans les parties sombres d’une scène, sans surexposition des parties éclairées, est sans équivalent. Les images ainsi traitées offrent ainsi une valeur forensique exceptionnelle.

Comme le but des solutions forensiques consiste à restituer des images facilement exploitables à des fins d’enquête, toutes les ombres sont éclaircies et tous les détails affinés. Il en résulte une image à l’apparence très différente de celles dont nous avons l’habitude, à la télévision par exemple. Avec une caméra Forensic WDR, la plage dynamique de la scène est comprimée en une plage dynamique beaucoup plus étroite, sans perte de détails. Cette méthode optimise la vidéo pour qu’elle soit observable sans fatigue oculaire, par exemple par les agents d’un centre de sécurité qui visionnent la vidéo en direct et enregistrée.

La Figure ci-dessous compare une scène capturée avec deux caméras différentes : à gauche une caméra sans fonctionnalité WDR, et à droite une caméra Axis dotée de Forensic WDR. Avec la fonction Forensic WDR, les détails sont nets et visibles à la fois à l’intérieur en contre-jour et à l’extérieur.

La plage dynamique d’une caméra s’exprime normalement sous forme d’une valeur en dB, liée au critère Amplitude présenté au chapitre 5.

Cette valeur en dB représente le rapport entre la luminance de l’objet le plus lumineux et la luminance de l’objet le moins lumineux que la caméra peut capturer. Si ce rapport vaut 1000:1, la valeur en dB correspond à 60 dB, c’est-à-dire le logarithme décimal de ce rapport (ici 3) multiplié par 20.

Le niveau le moins éclairé détectable peut se définir comme le bruit de fond du pixel du capteur, du fait qu’un signal inférieur à ce niveau est noyé dans le bruit. Avec cette définition, un bon capteur d’image peut atteindre normalement une plage dynamique d’environ 70 dB. Avec les techniques WDR, il est possible d’élargir la plage dynamique pratique, ou l’amplitude, sans toutefois modifier sur la valeur réelle en décibels de la caméra.

Toutefois, ni la valeur en dB, ni le critère Amplitude n’exprime pleinement en pratique la plage dynamique d’une caméra. La qualité d’une image WDR dépend également de la méthode WDR employée, de la présence d’artefacts visibles et de la qualité du traitement d’images. Certains de ces facteurs sont pris en compte dans les critères Apparence et Mouvement définis au chapitre 5.

L’image de droite ci-dessous a été prise avec une caméra dont la valeur en dB est plus faible que pour l’image de gauche. Dans cette scène à plage dynamique étendue, la caméra dont la valeur en dB est la plus faible produit clairement une image plus adaptée à la vidéosurveillance, contrairement à ce qu’on pourrait croire. La caméra de valeur en dB plus faible embarque à l’évidence d’autres fonctionnalités (par exemple traitement d’image plus abouti) qui améliorent sa performance WDR.

Ce chapitre présente certains des artefacts visuels les plus courants et leur origine.

• Flou de mouvement
  Le flou de mouvement peut se produire lorsque l’image capturée change pendant une même prise, en raison d’objets très mobiles dans la scène ou d’un temps d’exposition trop long.

• Effet fantôme
  Lorsqu’une même image est construite à partir de plusieurs temps d’exposition, un objet mobile peut être capturé dans plusieurs positions. Ce phénomène en lui-même peut donner l’impression d’objets « fantômes » dans l’image, mais il peut aussi aboutir à une image encore plus vague, car le flou de mouvement variera en fonction de la luminosité des différents objets. Par exemple, un objet mobile formera une « traînée » plus grande dans les zones obscures que dans les zones lumineuses.

• Artefacts causés par le clignotement
  Les artefacts causés par la lumière clignotante peuvent apparaître dans tous les types de caméras. Alors qu’on admet un éclairage constant, les sources de lumière modulée, comme les éclairages fluorescents, sont problématiques. Selon le type de caméra, les artefacts introduits peuvent prendre la forme de bandes ou d’impulsions visibles.

• Effet de bande
  Une certaine quantité de bruit distribué aléatoirement est souvent acceptable dans une image. En revanche, lors du traitement numérique, les difficultés techniques dans l’interprétation des valeurs de pixels peuvent parfois faire apparaître du bruit sous forme de bandes visibles.

• Effet dessin animé et exagération de netteté
  Une image WDR est parfois extrêmement riche en tons reconstitués et en détails retravaillés, au point que son affichage devient problématique sur un moniteur standard. L’affichage de l’image présente alors un style artificiel caractéristique s’apparentant à un dessin animé.

• Écarts de couleur
  Les méthodes qui ne traitent pas tous les pixels de la même manière peuvent introduire des artefacts dans la reproduction des couleurs, d’où des teintes irréalistes ou saturées.

• Frangeage violet
  Le frangeage violet, ou bleu, est un effet où apparaissent des franges violettes visibles le long des bordures nettes de l’image, en raison d’aberrations chromatiques dans l’objectif. Une aberration chromatique correspond à une réfraction inégale des différentes couleurs (longueurs d’onde) lumineuses dans l’objectif, qui aboutit à de légers déplacements ou floutages de couleur sur le capteur. Cet effet est généralement plus marqué près des bords du capteur. Par ailleurs, les caméras WDR sont plus sensibles aux aberrations chromatiques que les caméras dépourvues WDR, car les zones sombres de l’image sont traitées par un réglage de contraste plus fort.

• Lumière parasite et effet de brume
  Lorsque la lumière pénètre dans un objectif, une partie n’est pas recueillie correctement et se diffuse, ou s’évase, dans l’objectif. Une partie de cette lumière est absorbée par des déflecteurs internes prévus pour réduire les réflexions lumineuses, mais le reste atteint le capteur d’image au mauvais endroit, provoquant de ce fait différents types d’artefacts. L’artefact le plus courant est la lumière parasite visible dans la plupart des caméras qui font face à une source lumineuse intense comme le soleil. Quant à l’effet de brume, il réduit le contraste et la saturation des couleurs sur de plus grandes surfaces de l’image. Ces deux effets sont particulièrement gênants lorsque la scène comporte des sources lumineuses intenses, dans les scènes à plage dynamique étendue, lorsque l’objectif est sale ou si son intérieur est poussiéreux. Il est possible d’atténuer ces effets parasites en installant une casquette de protection sur la caméra, mais les caméras à longue portée sont toujours limitées par la lumière diffusée dans le système optique.